Las nanopartículas cerámicas son un tipo de nanopartículas que se componen de cerámicas , que generalmente se clasifican como sólidos inorgánicos, resistentes al calor y no metálicos que pueden estar hechos de compuestos metálicos y no metálicos. El material ofrece propiedades únicas. Las cerámicas a macroescala son frágiles y rígidas y se rompen con el impacto. Sin embargo, las nanopartículas cerámicas asumen una mayor variedad de funciones, [1] incluyendo dieléctricas , ferroeléctricas , piezoeléctricas , piroeléctricas , ferromagnéticas , magnetorresistivas , superconductoras y electroópticas .
Las nanopartículas cerámicas se descubrieron a principios de los años 80. Se formaron mediante un proceso llamado sol-gel , que mezcla nanopartículas en una solución y gel para formar la nanopartícula. Los métodos posteriores implicaron la sinterización (presión y calor, por ejemplo, prensado isostático en caliente ). El material es tan pequeño que básicamente no tiene defectos. Los materiales de mayor escala tienen defectos que los vuelven frágiles.
En 2014, los investigadores anunciaron un proceso de láser que involucra polímeros y partículas cerámicas para formar una nanoestructura. Esta estructura fue capaz de recuperar su forma original después de ser aplastada repetidamente. [ cita requerida ]
Las nanopartículas cerámicas se han utilizado como mecanismo de administración de fármacos en varias enfermedades, incluidas infecciones bacterianas, glaucoma y, más comúnmente, la administración de quimioterapia en el tratamiento experimental del cáncer . [2]
Las nanopartículas cerámicas tienen propiedades únicas debido a su tamaño y estructura molecular. Estas propiedades suelen manifestarse en términos de diversos fenómenos físicos eléctricos y magnéticos, entre los que se incluyen:
La nanopartícula cerámica está compuesta en más de un 85% por aire y es muy ligera, resistente, flexible y duradera. La nanotruss fractal es una arquitectura de nanoestructura [3] hecha de alúmina u óxido de aluminio . Su compresión máxima es de aproximadamente 1 micrón a partir de un espesor de 50 nanómetros. Después de su compresión, puede volver a su forma original sin ningún daño estructural.
Un proceso para fabricar nanocerámicas es el proceso sol-gel , también conocido como deposición de solución química. Esto implica una solución química, o sol, hecha de nanopartículas en fase líquida y un precursor , generalmente un gel o polímero, hecho de moléculas sumergidas en un solvente . El sol y el gel se mezclan para producir un material de óxido que generalmente es un tipo de cerámica. Los productos en exceso (un solvente líquido) se evaporan. Las partículas deseadas se calientan luego en un proceso llamado densificación para producir un producto sólido. [4] Este método también podría aplicarse para producir un nanocompuesto calentando el gel sobre una película delgada para formar una capa nanocerámica sobre la película.
Este proceso utiliza una técnica láser llamada litografía de dos fotones para grabar un polímero en una estructura tridimensional. El láser endurece los puntos que toca y deja el resto sin endurecer. A continuación, el material sin endurecer se disuelve para producir una "cáscara". A continuación, la cáscara se recubre con cerámica, metales, vidrio metálico, etc. En el estado final, la nanoestructura [5] de cerámica se puede aplanar y volver a su estado original.
En otro enfoque se utilizó la sinterización para consolidar polvos nanocerámicos utilizando altas temperaturas. Esto dio como resultado un material rugoso que daña las propiedades de la cerámica y requiere más tiempo para obtener un producto final. Esta técnica también limita las posibles geometrías finales. La sinterización por microondas se desarrolló para superar estos problemas. La radiación se produce a partir de un magnetrón , que produce ondas electromagnéticas para vibrar y calentar el polvo. Este método permite que el calor se transfiera instantáneamente a través de todo el volumen del material en lugar de desde afuera hacia adentro. [1]
El nanopolvo se coloca en una caja de aislamiento compuesta por placas de bajo aislamiento para permitir que las microondas pasen a través de ella. La caja aumenta la temperatura para facilitar la absorción. Dentro de las cajas hay sospechadores que absorben las microondas a temperatura ambiente para iniciar el proceso de sinterización. El microondas calienta los sospechadores a unos 600 °C, suficiente para hacer que la nanocerámica absorba las microondas.
A principios de los años 1980, se formaron las primeras nanopartículas, en concreto, nanocerámicas, mediante el proceso sol-gel . Este proceso fue sustituido por la sinterización a principios de los años 2000 y, posteriormente, por la sinterización por microondas. Ninguna de estas técnicas resultó adecuada para la producción a gran escala.
En 2002, los investigadores intentaron aplicar ingeniería inversa a la microestructura de las conchas marinas para fortalecer la cerámica. [6] Descubrieron que la durabilidad de las conchas marinas se debía a su "microarquitectura". La investigación comenzó a centrarse en cómo la cerámica podría emplear dicha arquitectura.
En 2012, los investigadores replicaron la estructura de la esponja marina utilizando cerámica [7] y la nanoarquitectura llamada nanotruss [5] . A partir de 2015, el resultado más grande es un cubo de 1 mm. La estructura reticular se comprime hasta el 85% de su espesor original y puede recuperar su forma original. Estas redes se estabilizan en triángulos con travesaños para lograr integridad estructural y flexibilidad.
La tecnología médica utiliza nanopartículas cerámicas para la reparación ósea. Se han sugerido para áreas como el suministro y almacenamiento de energía, las comunicaciones, los sistemas de transporte, la construcción y la tecnología médica. Sus propiedades eléctricas pueden permitir que la energía se transfiera con eficiencias cercanas al 100 %. Las nanocerchas pueden eventualmente aplicarse en materiales de construcción, en reemplazo del hormigón o el acero. [8] [9]